可再生能源-生物质能

1、第四章 生物质能 Biomass Energy 一、生物质能源的分布现状： 生物质能源是人类利用最早，最 多，最直接的能源，在18世纪大 规模的利用煤燃料以前，人类主 要依靠木材作燃料。 至今，世界上仍有15亿以上的人 口以生物质作为生活能源。 1.生物质能的构成： 生物质能包括植物，动物排泄物，垃 圾及有机废水等。 从广义上说，生物质能是植物通过光 合作用生成的有机物，它的最初来源 是太阳能，所以它是太阳能的一种， 同时也是可再生的。 由于生物质能的载体是有机物，所 以这种能源是以实物的形式存在的， 是唯一一种可存储和可运输的可再 生能源。 从化学角度来看： 生物质的组成是C-H化合物，它与

2、 常规的矿物能源如石油，煤等是同 类（煤和石油都是生物质经过长期 转换而来的），所以它的特性和利 用方式与矿物燃料有很大的相似性， 可以充分利用已经发展起来的常规 能源技术来开发利用生物质能。 生物质所蕴藏的能量是相当惊人的， 根据生物学家估算，地球上每年生 长的生物质能总量约为14001800 亿吨（干重），相当于目前世界总 能耗的10倍。我国的生物质能也极 为丰富，例如现在每年的秸秆量约 6.5亿吨，到2010年将达到7.26亿吨， 相当于5亿吨标煤 柴薪和林业废弃物数量也很大， 林业废弃物(不包括柴薪林），每 年约达3700立方米，相当于2000 万吨标煤。如果考虑日益增多的 城市垃圾和

3、生活污水，禽畜粪便 等其他生物质资源，我国每年的 生物质资源达6亿吨标煤以上。 扣除了一部分做饲料和其他原料， 可开发为能源的生物质资源达3亿多 吨标煤，而随着农业和林业的发展， 特别是随着速生炭薪林的开发推广， 我国的生物质资源将越来越多，有 非常大的开发和利用潜力。 从环境效益上来看，利用生物质可 以实现CO2的零排放，从根本上解 决能源消耗带来的温室效应问题。 随着全球环境问题的日益严重，发 达国家主要关心的是生物质能对减 少CO2排放上的作用，加上发展速 生能源作物有利于改善生态环境， 不会遗留有害物质或改变自然界的 生态平衡，对今后人类长远发展和 生存环境有重要意义，所以先进国 家大

4、都把上物质能利用技术作为一 种重要的能源技术来发展，对生物 质能的研究越来越重视。 在全世界能源中，生物质能占据 重要地位。根据国际能源机构的 估算水、陆生物质产量的热当量 为3 x IO21J左右，是全球目前总 能耗量的10倍。地球每年 地球上每年生物质能资源约为世 界能源消耗量的38倍 。 而生物质的自然分解产生甲烷， 与CO2相比，甲烷作为温室效 应气体的活性要高20倍。显然， 开发利用生物质能是解决能源 与环境问题的一条根本途径。 生物质燃烧是传统的利用方式，但 是热效率低下，而且劳动强度大， 污染严重。 通过生物质能转换技术可以高效的 利用生物质能源，生产各种清洁燃 料，替代煤炭，石

5、油和天然气等燃 料；还可以生产电力，减少对矿物 能源的依赖，保护国家能源资源， 减轻能源消费给环境造成的污染。 专家认为，生物质能源将成为未来 持续能源的重要组成部分，到 2015年，全球总能耗将有40%来 自生物质能源。目前，世界各国在 调整本国能源发展战略中，已把高 效利用生物质能摆在技术开发的一 个重要地位，作为能源利用中的重 要课题。 目前欧洲生物质能约占总能源消 费量的2%，预计15年后将达到 15%。现在制定的计划要求到 2020年，生物质燃料将代替20% 的化石燃料。美国在此方面发展 较快，目前已装机9000MW， 2002年可再生能源研究投入占其 能源领域R压力过高，造成 用户

6、灶前压力过大，使灶具火焰脱 火而影响用户使用，并且造成资源 浪费。 (3)输气管道的管径不合理。现有部 分供气管网的施工队，不经过管道 水力计算，仅凭其它燃气工程的施 工经验进行管道安装。管径过小， 用气高峰时，影响用户正常使用; 管径过大，一次投资增大，造成资 源浪费。 (4)输气管道坡度不合理。因生物质 燃气会携带一定的水分进入输气管 道，而现有部分管道坡度过小或根 本没有坡度，使管道内的积水无法 排出，会导致管道堵塞，从而影响 用户用气。 2.生物质气化集中供气技术 生物质气化技术，就是生物质原料 在缺氧状态下加热反应的能量转换 过程。生物质一般由碳、氢、氧等 元素和灰分组成，当它们被点

7、燃时， 供应少量空气，并且采取措施控制 其反应过程，使碳、氢、氧元素变 成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气 体，生物质中大部分能量都转移到 气体中，这就是气化过程。 生物质气化集中供气技术是针对农 林废弃物(玉米秆、玉米芯、花生壳、 树枝等)所提出的一项规模化利用生 物质资源的技术。随着农业、农村 经济的发展和农民生活水平的提高， 农村对生活燃料的需求发生了较大 的变化。高品位能源的需求日益增 大，优质燃料用户率递增30%以上， 增加了国家优质能源供应的压力， 而在一些地区，作为农村传统燃料 之一的农作物秸秆却出现过剩，剩 余秸秆随地焚烧，不仅浪费了宝贵 的生物质资源，也严重的污染了环 境，带来了

8、飞机延误、汽车相撞等 严重的社会问题，即被普遍关注， 给人民生活和经济建设带来了不良 影响。国家有关部委及各级地方政 府多次发文要求禁止焚烧秸秆，秸 秆资源的有效利用已成为我国农业 可持续发展的重要问题。 农作物秸秆数量大、分布广，是农生 产的副产品，也是一项重要的生物质 能源资源。有效地解决随意焚烧秸秆 问题，关键在于为剩余秸秆找出路， 进一步搞好综合利用，从而减少污染， 保护环境，实现农业资源的再增值。 开辟秸秆利用的新途径，研究和推广 秸秆等生物质高品位能源转换利用技 术，满足农民对优质生活燃料的需求， 是农村能源工作的一项重要任务。 利用秸秆热解气化，开创农村利用低 品位生物质资源供应

9、现代生活燃气的 新事业，符合我国国情。它对增加农 村高品位的生活能源，改善生活质量， 解放劳动力，增加就业机会，消化农 村大量剩余秸秆都有重要的意义。 通过秸秆气化技术的推厂应用，可 大幅度提高能源利用率，增加农村 能源的有效供给，解决秸秆焚烧造 成环境污染的问题，这样对促进农 村社会和经济可持续发展和保护生 态环境起到积极作用。 （1）生物质气化集中供气系统基本模 式为: 以自然村为单元，系统规模为数 十户到上千户，系统由三部分组成:秸 秆气化机组、燃气输配系统和用户燃气 系统。工艺系统如图4-1所示。铡成小 段的秸秆送入气化炉中经过热解气化反 应转换成可燃气体，在净化器中除去燃 气中含有的

10、灰尘和焦油等杂质，由风机 送至气柜中。 气化炉、燃气净化器和风机组成了秸 秆气化机组，气柜的作用是储存一定 量的燃气，以平衡系统燃气负荷的波 动，并提供恒定的压力，保证用户燃 气灶具的稳定燃烧。离开气柜的燃气 通过敷设在地下的管网分配到系统中 的每家每户。用户打开燃气用具的阀 门，就可以方便的使用燃气了 1一螺旋上料器;2一气化炉;3一净化器;4-测温测压点;5-罗茨风 机;6一水封;7-湿式气柜;8一集液器;9-阀门;10-一主管网;11一支 管网;12一户内系统(包括表具、灶具、阀门) 图图4-1 生物质气化集中供气系统示意图生物质气化集中供气系统示意图 气化炉是生物质气化集中供气系统中

11、的核心设备，常见的生物质气化炉可 分为流化床和固定床两大类。流化床 气化炉是指原料在气化炉中在气化剂 的作用下呈沸腾状态，原料与气化剂 充分接触，因而气化效率高，物料适 用广泛，可连续运行。流化床具有其 它床型所不具备的优点。 一个重要的优点是原料适应性强，流 化床气化炉不仅能处理各种形状和尺 寸的燃料，且可处理高含水量物质。 另外，它还具有较高的传热传质速率。 由于流化床较高的床层温度及床料中 可持续添加诸如石灰石之类的吸收剂， 故其所产生的气体中焦油含量较低， 添加的石灰石还可阻止床砂粘结及含 硫气体的排放 流化床气化炉的反应物料中常常有 精选过的颗粒状惰性材料，在吹入 气化剂的作用下，物

12、料颗粒和气化 剂充分接触，受热均匀，在炉内呈 沸腾燃烧状态，流化床气化反应速 度快，气化效率高，如内温度高而 恒定，是唯一在恒温床上进行反应 的气化炉，应温度在700-850oC； 另外，焦油也可在流化床内裂解为 气体。 流化床气化炉的缺点是结构复杂，设 备投资较多，而且燃气中灰分较多。 按炉子结构和气化过程，可将流化床 气化炉分为单流化床、循环流化床、 双流化床和携带流化床四种类型。按 吹入气化剂压力的大小，流化床气化 炉又可分为常压流化床(气化剂的吹 入压力为0.11-0.15 MPa)与加压流化 床(气化剂的吹入压力为1.82.2 MPa) 两类。 图图4-2 单流化床气化炉单流化床气化

13、炉 单床气化炉 只有一个流 化床，气化 后生成的气 化气直接进 入气化系统 中。气化炉 的基本结构 如图4-2所示 循环流化床与单流化床气化炉的 主要区别在于气化气出中处装有 气固分离器，可将气化气携带出 来的碳粒和惰性材料颗粒分离出 来，返回再次参加反应，提高碳 的转化率。循环流化床气化炉的 基本结构和工作情况如图4-3所示。 图图4-3 循环流化床气化炉循环流化床气化炉 双流化床气化炉(见图4-4)类似于循 环流化床气化炉，不同的是第一级 反应器的流化介质被第二级反应器 加热。在第一级反应中进行裂解反 应，在第二级反应器中进行气化反 应，双流化床的碳转化率很高。它 的基本结构和工作情况如图

14、所示。 图图4-4 双流化床气化炉双流化床气化炉 固定床气化炉是指原料在气化炉内形 成床层向下运动，其速度与气化剂运 动的速度相比很小，按气体在炉内流 动方向，可将固定床气化炉分为下吸 式、上吸式和横吸式3种类型。下吸 式气化炉的优点是:结构比较简单，工 作稳定性好;可随时开盖添料，气体中 的焦油在通过下部高温区时，一部分 被裂解成小分子永久性气体(再降温时 不凝结成液体)，所以出炉的可燃气中 焦油含量较少。 它的缺点是： 由于炉内的气体流向是自上而下的， 而热流的方向上自下而上的，致使引 风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大 的功率，出炉的可燃气中含有较多的 灰分，出炉的可燃气的温度较高，须 用

15、水对其进行冷却。下吸式固定床气 化炉的基本结构和气化反应示意如图 所示。 生物质原料由 炉顶的加料口 投入炉内，作 为气化剂的空 气也由进料口 进入炉内。炉 内的物料自上 而下分为干燥 层、热分解层、 氧化层、还原 层。 图图4-5 下吸式固定床气化炉下吸式固定床气化炉 上吸式固定床气 化炉的结构和反 应过程如图所示， 物料自炉顶加料 口投入炉内，气 化剂由炉体底部 进气口进入炉内 参与气化反应， 反应产生的气化 气自下而上流动， 由可燃气出口排 出。 图图4-6 上吸式固定床气化炉上吸式固定床气化炉 横吸式固定床 气化炉的气化 剂由炉子的一 侧供给，产生 的可燃气从炉 子的另一侧抽 出，该种

16、炉子 所用的原料多 为木炭，反应 温度很高。该 气化炉在南美 洲得到了广泛 应用 图图4-7 横吸式固定床气化炉横吸式固定床气化炉 生物质燃气灶具是生物质气化集中供 气系统的终端设备，也是关键的设备 之一，它直接影响到用户的用气效果， 也是整个系统成功与否的最终体现。 目前全国范围内使用效果较好的生物 质燃气灶具是河南省科学院能源研究 所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。 目前全国范围内使用效果较好的生物 质燃气灶具是河南省科学院能源研究 所研制的JZJ生物质燃气专用灶具。 该灶具的特点:高效节能、低污染;通 用性好;着火率高;燃烧稳定性好，不 脱火，不回火，无黄焰:坚固耐用， 价低质优。它的技

17、术指标也很高，燃 气适应范围4.66.6MJ/m3 ;额定热量 为3.2kW;热效率55%;烟气中的CO含 量( a =1时)0.05%;着火率为100%。 JZJ生物质燃气专用灶具.结构示意如图 4-8所示 图图4-8 JZJ生物质燃气专用灶具生物质燃气专用灶具 国内在生物质气化及其发电技术领 域从事研究工作的主要有中国科学 院广州能源研究所、清华大学、浙 江大学热能工程研究所、中国林业 科学研究院、华中科技大学、山东 省科学院和其它一些科研院所。中 国科学院广州能源研究所主要对固 体生物质气化动力学 固体生物质循环流化床气化器数学 模型、生物质中热值气化装置的设 计与运行等进行了研究，并且

18、成功 研制出1 MW生物质气化发电系统， 使我国生物质气化发电技术取得了 突破性进展。清华大学对流态化条 件下生物质热解气化过程进行了试 验和建立模型的研究，同时用混合 神经网终模拟生物质气化过程； 浙江大学热能工程研究所从事固定 床移动层下吸式生物质气化器的研 究；中国林业科学研究院对生物质 流态化催化气化进行研究；华中科 技大学对生物质流化床气化器气化 过程进行实验研究；山东科学院能 源所成功研制了玉米芯、麦秸等为 原料的XFL型生物质气化机组以及集 中供气系统，而且已进入商品化阶 段。 3.国外现状 20 世纪70 年代开始,生物质能的开 发利用研究已成为世界性的热门研 究课题。许多国家

19、都制定了相应的 开发研究计划,如日本的阳光计划、 印度的绿色能源工程、美国的能源 农场和巴西的酒精能源计划,纷纷投 入大量的人力和资金从事生物质能 的研究开发。国外尤其是发达国家 的科研人员作了大量的工作 美国在生物质利用方面处于世界领 先地位。据报道,美国有350 多座 生物质发电站,主要分布在纸浆、 纸产品加工厂和其它林产品加工厂, 这些工厂大都位于郊区。发电装机 总容量达700 MW , 提供了大约6. 6 万个工作岗位。 据有关科学家预测,到2010 年,生物 质发电将达到13 000 MW 装机容量, 届时有面积16. 2 万hm2 的能源农作 物和生物质剩余物作为气化发电的 原料,

20、同时可安排17 万多就业人员。 20 世纪70 年代研究开发了颗粒成 型燃料,该技术在美国、加拿大、日 本等国得到推广应用。 研究开发了专门使用颗粒成型燃料 的炉灶,用于家庭或暖房取暖。在北 美有50 万户以上家庭使用这种专用 取暖炉。美国的颗粒成型燃料,年产 量达80 万t 。 奥地利成功地推行建立燃烧木质能 源的区域供电计划,目前已有八九十 个容量为1 0002 000 kW 的区域 供热站,年供热10 109 MJ 。加拿 大有12 个实验室和大学开展了生 物质的气化技术研究。1998 年8 月 发布了由Freel 和Barry A 申请的生 物质循环流化床快速热解技术和设 备。 瑞典和

21、丹麦正在实行利用生物质进 行热电联产的计划,使生物质能在 提供高品位电能的同时,满足供热 的要求。1999 年, 瑞典地区供热和 热电联产所消耗的能源中,26 % 是 生物质能。加拿大用木质原料生产 的乙醇产量为每年17 万t 。 比利时每年以甘蔗渣为原料制取的 乙醇量达3. 2 万t 以上。美国每年以 农村生物质和玉米为原料生产乙醇 约450 万t , 计划到2010 年,可再生的 生物质可提供约5 300 万t 乙醇。 在气化、热解反应的工艺和设备研 究方面,流化床技术是科学家们关注 的热点之一。 印度Anna 大学新能源和可再生能源 中心最近开发研究用流化床气化农 林剩余物和稻壳、木屑、

22、甘蔗渣等, 建立了一个中试规模的流化床系统, 气体用于柴油发电机发电。 1995 年美国Hawaii 大学和Vermont 大学在国家能源部的资助下开展了流 化床气化发电工作。Hawaii 大学建立 了日处理生物质量为100 t 的工业化压 力气化系统,1997 年已经完成了设计。 建造和试运行达到预定生产能力。 Vermont 大学建立了气化工业装置,其 生产能力达到200 t/d , 发电能力为50 MW 。目前已进入正常运行阶段。 日本从20 世纪40 年代开始了生物质 成型技术研究,开发出单头、多头螺 杆挤压成型机,生产棒状成型燃料。 其年生产量达25 万t 左右。欧洲各 国开发了活塞

23、式挤压制圆柱及块状 成型技术。 美国、新西兰、日本、德国、加拿 大等国先后开展了从生物质制取液 化油的研究工作。将生物质粉碎处 理后,置于反应器内,添加催化剂或无 催化剂,经化学反应转化为液化油,其 发热量达3. 5 104 kJ/ kg 左右,用 木质原料液化的得率为绝干原料的 50 % 以上。 欧盟组织资助了3 个项目,以生物质 为原料,利用快速热解技术制取液 化油,已经完成100 kg/ h 的试验规 模,并拟进一步扩大至生产应用。 该技术制得的液化油得率达70 % , 液化油热值为1. 7 104 kJ/ kg 。 欧美等发达国家的科研人员在催化 气化方面也作出了大量的研究开发 工作,

24、在生物质转化过程中, 应用催化 剂,旨在降低反应活化能,改变生物质 热分解进程,分解气化副产物焦油成 为小分子的可燃气体,增加煤气产量, 提高气体热值,降低气化反应温度,提 高反应速率和调整气体组成,以便进 一步加工制取甲醇和合成氨。 研究范围涉及到催化剂的选择,气 化条件的优化和气化反应装置的适 应性等方面, 并已在工业生产装置 中得到应用。 四、生物质的基本概念 一起有生命的可以生长的有机物质 统称为生物质。它包括植物、动物 和微生物。各争生物质之间存在着 相互依赖和相互作用的关系。生物 质对人类有着相互依赖和相互作用 的关系。生物质对人类有着广泛而 重要的用途：1.用作食物；2.用作工

25、业原料；3.用作能源；4.改善环境、 调节气候、保持生态平衡。 从广义上讲，生物质是植物通过 光合作用生成的有机物，所以生 物质能是太阳能的一种，它的生 成过程如下： 6CO2+12H2O C6H12O6+6H2O+6O2 生地球上的绿色植物包括森林、农 作物、野生草类等陆生植物和水草、 藻类等水生植物，它们以 0.25%5%的能量转换率，每年把 太阳辐射到地球表面能量的1%左右， 以碳的形式固定下来，生物界的碳 通过动植物呼吸、动植物的尸体腐 烂经微生物分解、燃烧时产生的 CO2重新回到非生物界。 在碳的循环过程中，也进行着能量的 循环。绿色植物通过光合作用制造有 机物，同时把太阳能以化学能

26、的形式 储藏在自己体内。动物以绿色植物为 食物，能量也随着有机养料转移到动 物体内。古代生物一体埋藏在地下， 有些形成了煤炭、石油、天然气等矿 物燃料，能量随之转移到煤炭、石油、 天然气中。 生物体中含有的能量经过呼吸、体 内有机物的分解放出能量，作为生 命存在和生理活动的动力。煤炭、 石油、天然气和干生物质的燃烧， 生物尸体的分解都要放出能量，使 能量重新回到自然界。 所谓生物质能，主要是把某些生 物质作为一种能源（而不是食 物），设法将蕴藏在其中的化学 能尽量全部的、集中的释放出来， 以满足人类对能源（而不是食物） 的需求。 基于这一独特的形成过程，生物质能 既不同于常规的矿物能源，又有别

27、于 其它新能源，它兼有两者的特点和优 势，是人类最主要的可再生能源之一。 其特点如下： 1.生物质能资源的大量性和普遍性。 生物质是一种到处都有的，普遍而廉 价的能源，取材容易，生产过程简单。 2.生物质能是一种理想的可再生能源。 只要太阳辐射能存在，绿色植物的 光合作用就不会停止，生物质能就 永远不会枯竭。 3.生物质能的清洁性。在科学合理的 使用下，生物质能不但不会污染环 境，而且还有益于环境。生物质能 在作为能源被利用的同时可实现二 氧化碳的“零排放”。 五、生物质资源 生物质不但数量巨大，而且具体的 种类也很多，植物类中最主要也是 我们经常见到的有木材、农作物废 弃物（秸秆、稻草、麦秸

28、、豆秸、 棉花秸、谷壳等）、杂草、藻类等， 非植物类中主要有动物粪便、动物 尸体、废水中的有机成分、垃圾中 的有机成分等。 开发利用生物质能的意义 1、生物质能在工业生产和日常生活中占 有相当重要的地位。 目前中国有8.6亿人口居住在农村，农村 居民生活用能61%仍靠传统生物质资源； 急速发展的乡镇企业所消费的能源已达 3.2亿吨标煤，占全国商品能源总消费量 的1/4。 生物质今后在我国能源结构中占有非常 重要的地位，尤其在农村能源领域，生 物质能是其它能源不可代替的。 2、生物质能源是可再生的清洁能源 生物质能是植物通过光合作用合成的， 植物的光合作用是燃烧反应的逆过程。 而燃烧反应是人类获

29、取和使用能源的 主要方式，如果这两个过程能相互匹 配，形成完整循环，生物质能源即可 取之不尽，用之不竭。 （1）生物质能源对温室气体的减排作用 矿物燃料是把原为固定的碳通过燃烧是 其流动化，并以CO2的形式累计与大气 环境，造成温室效应。生物质中的碳来 自空气中流动的CO2，如果这两个速度 有合适的匹配，CO2甚至可以达到平衡， 整个生物质能循环就能实现CO2的零排 放，从根本上解决矿物能源消耗带来的 温室效应问题。 （2）生物质能源对生态环境的保护 作用。 生物质资源代替化石燃料，一方面减 少了化石燃料的供应量；另一方面可 以减少CO2,、SO2、NOx等污染物排 放，改善环境质量。 3.生

30、物质物理化学特性 生物质的一些物理特性，如密度、 流动性、析出挥发分后的残留碳特 性和灰熔点等对生物质气化过程和 气化效果也有一定的影响。 4.密度和堆积密度 密度是指单位体积生物质的质量。 固体颗粒状物料有两种衡量其密度 的方法 （1）物料的真实密度，即通常所说 的物质的密度，它是指颗粒间空隙 不做物质所占有的体积时计算物质 的密度； （2）堆积密度 即把颗粒间空隙算作物质的体积所计 算的物质密度，一般在自然堆积的状 态下测量，它反映了单位体积物料的 质量，对于固定床气化工艺来说，堆 积密度对气化反应的影响更大。生物 质原料的堆积密度差别较大。一类是 包括木材、木炭、棉秸在内的高堆积 密度物

31、料，他们的堆积密度在 200350kg/m3之间； （4）自然堆积角 当物料自然堆积时会形成一个锥体， 锥体母线与地面的夹角叫做自然堆积 角（图4-6）。自然堆积角反映了物料 的流动特性，流动性好的物料颗粒在 很小的坡度时就会滚落。只能形成很 矮的锥体，因此自然堆积角很小。而 流动性不好的物料会形成很高的锥体， 自然堆积角较大。 虽木材一类原料的自然堆积角一般 不超过45，在固定床气化炉中依 靠重力向下移动顺畅。当下部物料 消耗以后，上部原料自然下落补充， 形成充实而均匀的反应层。而铡碎 的玉米秸和麦秸堆垛以后即使底部 被掏空，上面的麦秸依然不下落， 这时的自然堆积角已经超过了90 而成为钝角

32、。在固定床气化炉里容 易产生架桥、穿孔现象 图图4-6 自然堆积角自然堆积角 （5）炭的机械强度 生物质原料加热后很快析出挥发分， 剩余的木炭组成气化炉中的反应层。 作为支撑生物质物料颗粒形状的骨架， 木炭的机械强度对反应层的构成有重 要影响。由木材等硬柴形成的木炭机 械强度较高，析出挥发分后几乎可以 保持原来的形状，形成孔隙率高而且 均匀的优良反应层。 而秸秆炭的机械强度很低，在大量 挥发分析出后，不能保持原有形状， 容易在反应层中产生空洞，形成不 均匀气流，细而散的炭粒降低了反 应层的活性和透气性。 （6）灰熔点 在高温下，灰分将变成熔融状态从 而形成渣，结在气化炉的内壁上或 黏结成难以清

33、除的大渣块。灰分开 始融化的温度较灰熔点，灰熔点的 高低与灰的成分有关，不同的生物 质种类和不同的产地其灰熔点都会 有所不同。木材的灰含量很低，对 气化炉工作的影响较小， 但用秸秆类原料时应控制反应温度 在灰熔点以下。一般生物质原料的 灰熔点在9001050范围内，也有 一些产地的原料会在850以下。 综上所述，各种生物质原料的化学 成分变化不大，但是他们的物理特 性有较大的差别。如果作为燃料来 看，与煤相比有如下几个特点。 1）挥发分高，固定碳低。煤的挥发 分一般在20%左右，固定碳在60%左 右。而生物质特别是秸秆类生物质， 固定碳在20%左右，而挥发分则高达 70%左右。 2）生物质原料

34、中氧含量高，因此在 干馏或气化过程中都有大量的CO产 生，不想没在干馏气化过程产生低 CO的煤气。 3）木质类生物质含灰分极低，只有 1%3%,秸秆类生物质含量会稍多一 些，但是同煤相比生物质的灰含量 是较低的 4）生物质的发热值明显低于煤，一 般只相当于煤的1/22/3 5）生物质的硫含量极低，有的生物 质甚至不含硫。 六、生物质能的利用状况 从目前来看，主要的技术种类分类 如图4-7所示，分为直接燃烧技术、 物化转换技术和生化转换技术等。 图图4-7 生物质生物质 技术分类技术分类 图图4-7（续）（续） 生物质技术生物质技术 分类分类 1、直接燃烧技术 直接燃烧大致可分炉灶燃烧、抗连灶

35、及地炕燃烧技术、锅炉燃烧、垃圾焚 烧和成型燃料燃烧五种情况。炉灶燃 烧时最原始的利用方法，一般适用于 农村或山区分散独立的家庭用炉，他 的投资最省，但效率最低，燃烧效率 在10%20%左右。炕连灶以地炕燃烧 技术较炉灶燃烧效率有所提高，可达 30%，也是目前北方农村常用的技术。 锅炉燃烧采用了现代化的锅炉技术，适 用于大规模利用生物质，它的主要优点 是效率高，并且可实现工业化生产。主 要缺点是投资高，而且不适于分散的小 规模利用，生物质必须相对比较集中才 能采用本技术。垃圾焚烧也是采用锅炉 技术处理垃圾，但由于垃圾的品位低， 腐蚀性强，所以他要求技术更高，投资 更大。从能量利用的角度来讲，它也

36、必 须规模较大才比较合理。 成型燃料绕烧时把生物质固化成型后 再采用传统的燃煤设备燃用，主要优 点是所采用的热力设备是传统的定型 产品，不必经过特殊的设计或处理， 主要缺点是运行成本高，所以他比较 适合企业对原有设备进行技术改造时， 在不重复投资的前提下，以生物质代 替煤，以达到节能的目的。 2、物化转换技术 物化转换技术包括三方面: （1）干馏技术； （2）气化制生物质燃气； （3）热解制生物质油。 干馏技术主要目的是同时生产生物 质炭和燃气，炭和燃气可分别用于 不同用途。优点是设备简单，可以 生产炭和多种化工产品，缺点是利 用率较低 热解制油是通过热化学方法把生物 质转化为液体燃料的技术，

37、它的主 要优点是可以把生物质制成油品燃 料，作为石油产品替代品，用途和 附加值大大提高。主要缺点是技术 复杂，目前成本仍然太高。 3、 生化转换技术 生物转换技术主要是以厌氧发酵和特 种酶技术为主。 （1）厌氧发酵 生产沼气的主要方法。沼气发酵是有 机物质（为碳水化合物，脂肪，蛋白 质等）在一定温度、湿度、酸碱度和 厌氧条件下，经过沼气菌群发酵（消 化），生成沼气（甲烷气CH4 ），消 化液和消化污泥（富含氮的肥料）。 上述过程就叫沼气发酵或厌氧发酵。 它包括小型的农村沼气技术和大型 的厌氧处理污水工程。 它的主要优点是提供的能源形式为 沼气（CH4），非常清洁，具有显 著的环保效益，主要缺点

38、是能源产 出低，投资大，所以比较适宜于以 环保为目标的污水处理工程获以有 机易腐物为主的垃圾的堆肥过程。 我国在沼气技术推广方面做了大量工 作，取得巨大成就。 仅1970年代，在农村就建造了700万 个沼气池，716个沼气服务站，500 万个家庭规模的沼气池在正常运行， 还有10000个大、中型沼气池产气。 印度在农村沼气技术推广方面也取得 了巨大成果。2000年有1200万个家 庭规模的沼气池。 （2）乙醇发酵 利用生物技术（包括酶技术）把 生物质转化为乙醇的主要目的是 制取液体燃料，它的主要优点可 以使生物质变为清洁液体燃料， 拓宽用途，提高效率，主要缺点 是转换速度太慢，投资较大，成 本

39、相对较高。 1）原理： 通过炭水化合物发酵提取乙醇是人 们熟知的古老技术。 2）发酵原材料： 通过发酵生产乙醇的原材料可分为 三类 糖质材料 淀粉材料 纤维素材料 乙醇原料成本一般相当于酒精最终 售价的55%80% 表4.1 植物的乙醇产量 表4.2 木质纤维素产品乙醇产量 3）燃料乙醇生产 生产燃料乙醇，发酵过程可以以半 连续状态进行，可以对酵母菌进行 回收，重复使用。 可采用高浓度的酵母液，加快发酵 速度，减少发酵时间。 梅勒波依诺特（MelleBoinot）法： 通过重复使用酵母的方法来减少发酵 时间和增加产量。利用离心分离技术 从先前的发酵液中将酵母回收。 Biostil法：把发酵作用

40、和蒸馏作用紧 密结合，并使釜馏物高速再循环。该 发酵系统的最大特点是可避免细菌感 染问题，细菌在精馏塔内可被高温杀 死。且废液流出量小，可降低耗水。 七、生物质气化专题研究 1.生物质气化基本原理 生物质气化的基本定义： 所谓气化是指将固体或液体燃料转 化为气体燃料的热化学过程。在这 个过程中，在气化装置里，游离氧 或结合氧与燃料中的碳进行热化学 反应，生成可燃气体。 2.生物质的燃烧特性 生物质的主要成分是碳、氢、氧和少 量的氮、硫，而生物质的热值高低取 决于其基本成分，也就是说，取决于 碳和氢等可燃元素成分的多少。其可 燃成分占的百分数越大，其热值就越 高，相反则越低。当然，生物质的热 值

41、还于其含有灰分的多少及干湿程度 有关。 （1）碳 碳与氧进行燃烧反应，可以生成 CO2或者CO，取决于氧的供给量和 其他反应条件。其反应方程式为： C+O2CO2+H H=408.8KJ 2C+O22CO+H H=246.44KJ （2）氢 氢在生物质中有2种形式： 一种叫可燃氢，燃烧时可以放出大 量的热； 另一种称为化和氢，它与氧结合为 水，不能燃烧放热。氢与氧的燃烧 方程式为： 2H2+O22H2O+H H=484KJ 氢容易着火燃烧，所以生物质中含 氢越多，越容易燃烧。 （3）氧元素 氧不属于可燃成分，它与一部分氢 和碳在一起处于化合物状态。 （4）其他少量元素 硫、氮、磷、钾虽然是可燃

42、元素， 但在生物质中含量极少，因此在燃 烧中起的作用不大。 （5）灰分 灰分是制生物质在所有可燃物质 完全燃烧以及某些物质在一定温度 下产生一系列分解、化合等复杂反 应后的剩余物。它是不能燃烧的物 质，因而灰分的多少只对生物质的 发热只有一定的影响，对燃烧反应 过程没有影响。 （6）水分 生物质中的水分分为两 种：内在的结合水和外部的自由水。 内在水分比较固定，外部自由水随 外部条件变化。生物质的水分是影 响生物质燃烧和气化的一个重要因 素。 2、生物质的燃烧 生物质的燃烧分为三个阶段,预热凄 然阶段，挥发分燃烧阶段，木炭燃烧 阶段。 为了更好的理解生物质的燃烧，这里 介绍两个基本概念，热值和

43、挥发份。 （1）热值： 热值也称发热值吗是指单位质量的燃 料完全燃烧时所产生的热量，它是衡 量燃料质量优劣的重要指标。 （2）挥发分： 生物质的燃烧时在高温下进行的，省 物质中木质纤维含量较多，其构成多 为单键化合物。当生物质被加热时， 其中的自由水先被蒸发出来，湿物料 变成干物料。继续加热,温度不断升高， 分子活动加剧，化合键被打开，释放 出大量的可燃物质可燃气体，这 种气体可燃物质叫做挥发分。挥发分 越多，生物质就容易燃烧。 1） 预热凄然阶段 在该阶段，省 物质随着被加热，水份逐渐蒸发， 变成干物料，当生物质被加热到 160时开始时放出挥发分。挥发 分的组成为：二氧化碳、一氧化碳、 低分

44、子碳氢化合物、（如甲烷、乙 烯）等，还有氢、氧、氮等气体。 2）挥发分燃烧阶段 生物质经高温 加热所释放的挥发分在高温下开始燃 烧，同时放出大量的热能。 3）木炭燃烧阶段 挥发分物质在燃 烧初期将固定碳包裹着，氧气不能接 触炭的表面，因而炭在挥发份燃烧的 初期是不燃烧的，经过一段时间以后， 挥发分燃烧结束，剩下的火红炽热的 木炭与氧气接触并发生燃烧反应。 3、影响燃烧的几个因素 燃料燃烧主要有下面几个条件控制；一 定的温度、一定量的空气（氧气）、燃 料与空气（氧气）的混和程度以及反应 时间。 生物质的燃点约为250，其温度的提 高由点火热供给。点火过程中热量逐渐 积累，使更多的物料参与反应，温

45、度也 随之升高，当温度达到400时，生物 质便能很好的燃烧了。 （1）生物质气化基本原理 生物质在上吸式固定床气化炉中的 气化过程可由图4-8表示。生物质 从上部加入，气化剂（空气）从底 部吹入，气化炉中参与反应的生物 质自上而下分为干燥区、热分解区 （裂解区）、还原区和氧化区。 图图4-8 上吸式气化炉示意图上吸式气化炉示意图 1）生物质的干燥 在气化炉的最为上层为干燥区，从 上面加入的生物质物料直接进入到 干燥区。是物料在这里同下面三个 反应区生成的热气体产物进行换热， 使原料中的水分蒸发出去，生物之 无聊又含有一定水分的原料转变为 干物料。干燥区的产物为干物料和 水蒸气，水蒸气随着下述三

46、个反应 区的产热排出气化炉，而干物料则 落入裂解区。 2）裂解反应 在氧化区和还原区生成的热气体， 在上行过程中经过裂解层，生物质 受热后发生裂解反应，生物质中大 部分的挥发分从固体中分离出去。 由于生物质的裂解需要大量的热量， 在裂解区温度已降到400600。 在裂解反应中还有少量烃类物质的 产生。裂解区的主要产物为炭、氢 气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、 甲烷、焦油及其他烃类物质等，这 些热气体继续上升，进入到干燥区， 而炭则进入下面的还原区。 3）还原反应 在还原区已没有氧气存在，在氧化 反应中生成的二氧化碳在这里同碳 及水蒸气发生还原反应，生成一氧 化碳和氢气。由于还原反应是吸热 反应

47、，还原区的温度也相应降低， 约为700900。 还原区的主要产物为一氧化碳、二 氧化碳和氢气，这些热气体同氧化 区生成的部分热气体进入上部的裂 解区，而没有反应完全的炭则落入 氧化区。 4）氧化反应 气化剂（空气）由气化炉的底部进 入，在经过灰渣层时遇热灰渣进行 换热，被加热的热气体进入气化炉 底部的氧化区，在这里同炽热的炭 发生燃烧反应，生成二氧化碳，同 时放出热量。由于是限氧燃烧，氧 气的供给是不充分的，因而不完全 燃烧反应同时发生，生成一氧化碳， 同时也放出热量。在氧化区，温度 可达10001200。 在氧化区进行的均为燃烧反应，并放 出热量，也正是这部分反应热为还原 区的还原反应、物料

48、的裂解和干馏提 供了热源。在氧化区生成的热气体 （一氧化碳和二氧化碳）进入气化炉 的还原区，会则落入下部的灰室中。 在气化炉内截然分为几个区的情 况实际上并不如此。事实上，一 个区可以局部的渗入另一个区， 由于这个缘故，所属过程多多少 少有一部分是可以互相交错进行 （2）生物质气化设备 气化炉的定义： 用来气化固体燃料的设备叫做气化 炉。气化炉是生物质气化系统中的 核心设备，生物质在气化炉内进行 气化反应，生成可燃气。生物质气 化炉可以分为固定床气化炉和流化 床气化炉两种类型。固定床气化炉 和流化床气化炉又都有多种不同形 式，如图4-9所示 图图 4-9 生物质气化炉分类生物质气化炉分类 （一

49、）固定床气化炉 所谓固定床气化炉，使之气流在通 过物料层时，物料相对于气流来说， 处于静止状态，因此称为固定床。 一般固定床适用于物料为块状及大 颗粒原料。 固定床气化炉具有以下优点： 1）制造简便，又很少的运行部件； 2）较高的热效率。 固定床气化炉的缺点： 1）内部过程难于控制； 2）内部物质容易搭桥形成空腔； 3）处理量小。 （二）流化床气化炉 在流化床气化炉中，一般采用沙子作 为流化介质（也可不用），有气化炉 底部吹入的、向上流动的强气流使沙 子和生物质物料的运行就像是液体沸 腾一样飘浮起来。所以流化床有时也 称为沸腾床。 流化床气化炉具有气、固接触，混合 均匀的优点，是唯一在恒温床上

50、反应 的气化炉，反应温度一般为 750850。 流化床适用和水分含量大、热值低、 着火困难的生物质原料，原料适用 性广，可大规模、高效利用。按气 化炉结构和气化过程，可将流化床 气化炉分为单床气化炉、双床气化 炉、循环流化床气化炉及携带床流 化床和加压流化床。 类型气化 炉直 径 /mm 生产 强度 /kg/ (m2h) 功率 /MJ/ h 应用 情况 研究 单位 上吸 式 11002402.9生产 供热 广州 能源 所 10001801.6锅炉 供热 南京 林化 所 表表4-3 中国生物质气化技术应用现状中国生物质气化技术应用现状 类型气化炉直 径/mm 生产强 度 /kg/(m2 h) 功

51、率 /MJ/h 应用情况研究单位 下吸 式 4002000.3发电 （10Kw） 中国农机院 6002000.66木材烘干中国农机院 9002001.49锅炉供气中国农机院 6002000.66生活用气山东能源所 5005100.92生活用气辽宁能源所 3006370.9发电 （30kW） 辽宁能源所 表表4-3 （续）中国生物质气化技术应用现状（续）中国生物质气化技术应用现状 类型类型气化炉直气化炉直 径径/mm 生产强度生产强度 /kg/(m2h) 功率功率 /MJ/h 应用情况应用情况研究单位研究单位 层式下吸式200150160k W 发电商业部 等 110015060kW发电江苏省 粮食局 20039825k W 发电 内循环流化 床 4001000160k W 发电辽宁能 源所 表表4-3 （续）（续） 中国生物质气化技术